實(shí)測(cè)法驗(yàn)證硅油減振器扭振參數(shù)

(中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所, 武漢 430022)

硅油減振器是降低柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一種常用裝置，基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1-外殼;2-摩擦環(huán);3-慣性環(huán);4-密封墊圈；5-儲(chǔ)油槽

圖1硅油減振器結(jié)構(gòu)示意

其中，減振器外殼和慣性環(huán)做成法蘭聯(lián)接的型式，可直接安裝在曲軸自由端，慣性環(huán)經(jīng)過(guò)青銅襯套繞轂自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在慣性環(huán)和外殼之間很小的間隙中充滿粘度很高、穩(wěn)定性強(qiáng)的硅油。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，外殼隨曲軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，由于慣性環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在扭振過(guò)程中它比殼體的運(yùn)動(dòng)要滯后一些，因此慣性環(huán)與外殼之間便存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí),間隙中的硅油的阻尼就會(huì)消耗能量，對(duì)柴油機(jī)的曲軸起到減振作用。

在實(shí)際的船舶軸系扭振計(jì)算審圖過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)，許多計(jì)算方按減振器處于最佳阻尼狀態(tài)處理，即將硅油減振器作為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，其阻尼按理論取最佳阻尼，當(dāng)量慣量為最佳阻尼條件下所對(duì)應(yīng)的慣性環(huán)慣量與外殼慣量的一半之和。多次將船舶軸系扭振實(shí)測(cè)結(jié)果與扭振計(jì)算書(shū)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，上述處理的結(jié)果往往跟實(shí)際情況存在較大出入。因此，本文通過(guò)理論分析和柴油機(jī)臺(tái)架測(cè)試相結(jié)合的方法，驗(yàn)證硅油減振器的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼[1-3]。

1 實(shí)測(cè)法的理論依據(jù)

對(duì)一個(gè)由有限質(zhì)量點(diǎn)和扭力彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)，其扭振頻率僅與質(zhì)量點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)，反之，如果系統(tǒng)的實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率一致，則可認(rèn)為計(jì)算中所用參數(shù)(慣量、剛度)準(zhǔn)確，符合實(shí)際情況。當(dāng)慣量、剛度確定后，進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，在其它條件不變的情況下，質(zhì)量點(diǎn)的振幅僅與減振器的阻尼有關(guān)。

為此，在柴油機(jī)自由端布置測(cè)點(diǎn)，先對(duì)單機(jī)進(jìn)行扭振測(cè)試(第一次測(cè)試)，通過(guò)分析儀得出單機(jī)實(shí)測(cè)頻率，與單機(jī)自由振動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，以核對(duì)廠家所提供的柴油機(jī)扭振參數(shù)。在這些參數(shù)驗(yàn)證合格的基礎(chǔ)上，對(duì)柴油機(jī)加裝硅油減振器工況進(jìn)行測(cè)試以得出實(shí)測(cè)頻率(第二次測(cè)試)，并假定硅油減振器的當(dāng)量慣量為慣性環(huán)慣量加外殼慣量的一半(此時(shí)減振器阻尼按最佳阻尼)進(jìn)行自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，比較實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率。如果一致，則認(rèn)為假定的當(dāng)量慣量正確；如果不一致，則逐步調(diào)整減振器當(dāng)量慣量，直至計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率一致為止，則此時(shí)的慣量可視為減振器的當(dāng)量慣量。同時(shí)，比較強(qiáng)迫振動(dòng)中硅油減振器處(第1質(zhì)量點(diǎn))主諧次(對(duì)本機(jī)為6諧次)計(jì)算振幅與實(shí)測(cè)主諧次振幅，如不一致，則調(diào)整減振器阻尼值再次進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，直至與實(shí)測(cè)振幅一致為止，此時(shí)的阻尼值可視為減振器實(shí)際阻尼。

2 單機(jī)測(cè)試

通過(guò)單機(jī)(未裝減振器)測(cè)試，對(duì)比柴油機(jī)實(shí)測(cè)扭振頻率與計(jì)算頻率，驗(yàn)證其扭振參數(shù)是否準(zhǔn)確。

2.1 測(cè)試方法及分析

采用中國(guó)船級(jí)社研發(fā)的ZDCL軸系振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)某型柴油機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)構(gòu)裝置見(jiàn)圖2。從柴油機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速400 r/min到額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min范圍內(nèi)，每隔10 r/min左右連續(xù)采集數(shù)據(jù)。

圖2 單機(jī)測(cè)試原理

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，分別在1 079.3、910.8和676.2 r/min發(fā)現(xiàn)7.5諧次、9諧次和12諧次明顯共振峰，相應(yīng)頻譜圖分別見(jiàn)圖3。

圖3 頻譜

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，得出單機(jī)自由振動(dòng)實(shí)測(cè)頻率為

8 131.5 1/min=135.5 Hz

該頻率反映了柴油機(jī)實(shí)際固有扭振頻率，可用于驗(yàn)證柴油機(jī)廠家所提供的扭振參數(shù)。

2.2 驗(yàn)證廠家提供的柴油機(jī)扭振參數(shù)

因此，實(shí)測(cè)與計(jì)算頻率的誤差為

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，該誤差小于5%，可以認(rèn)為廠家提供的柴油機(jī)扭振參數(shù)是準(zhǔn)確的，在后續(xù)的測(cè)試分析中，將以此為基礎(chǔ)。

3 單機(jī)+減振器測(cè)試

在柴油機(jī)自由端加裝硅油減振器，重復(fù)2.1中測(cè)試步驟并對(duì)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，分別在1 069.7、950.03、849.4、823.9和725.6 r/min發(fā)現(xiàn)6諧次、6.5諧次、7.5諧次、8諧次和9諧次明顯出現(xiàn)共振峰，相應(yīng)頻譜圖見(jiàn)圖4。

圖4 共振峰頻譜

根據(jù)上述5個(gè)諧次的共振轉(zhuǎn)速，得出實(shí)測(cè)共振頻率為

該頻率代表了柴油機(jī)+硅油減振器系統(tǒng)的真實(shí)扭振頻率。前面已驗(yàn)證了柴油機(jī)扭振參數(shù)的準(zhǔn)確性，所以可利用該頻率和柴油機(jī)的扭振參數(shù)，通過(guò)試算法，反推減振器的扭振參數(shù)值。

4 減振器扭振參數(shù)的驗(yàn)證

4.1 減振器的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

實(shí)測(cè)與計(jì)算頻率的誤差為

該誤差在工程計(jì)算允許范圍內(nèi)，因此，減振器當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取1.295 kg·m2，滿足實(shí)際情況。

4.2 減振器的阻尼

對(duì)柴油機(jī)+減振器系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，得出系統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)共振頻率下，減振器處(第1質(zhì)量點(diǎn))的6諧次振幅為0.0227°。而根據(jù)圖4可知，第1質(zhì)量點(diǎn)實(shí)測(cè)振幅為0.048 8°，遠(yuǎn)大于計(jì)算振幅。因此，可以判定，硅油減振器在該共振轉(zhuǎn)速下并非發(fā)揮了最佳阻尼。

調(diào)整減振器阻尼值，反復(fù)進(jìn)行試算，直到第1質(zhì)量點(diǎn)的6次計(jì)算振幅與實(shí)測(cè)振幅接近，減振器阻尼調(diào)整結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 調(diào)整減振器阻尼計(jì)算結(jié)果

表1中，當(dāng)減振器阻尼調(diào)整為223 N·m·s/rad時(shí)，第1質(zhì)量點(diǎn)的計(jì)算主諧次振幅與實(shí)測(cè)振幅一致。確定該減振器的阻尼值為223 N·m·s/rad。

至此，已根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算對(duì)比分析，確定了硅油減振器的關(guān)鍵扭振參數(shù)——當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼。

5 結(jié)論

1)實(shí)測(cè)頻率代表了系統(tǒng)的固有頻率，是進(jìn)行對(duì)比、分析和驗(yàn)證的基礎(chǔ)；

2)柴油機(jī)扭振參數(shù)是驗(yàn)證減振器扭振參數(shù)的基礎(chǔ)，故應(yīng)首先通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證廠家提供的柴油機(jī)參數(shù)是否準(zhǔn)確；

3)通過(guò)頻率對(duì)比分析驗(yàn)證減振器的當(dāng)量慣量，通過(guò)振幅對(duì)比分析驗(yàn)證減振器的阻尼；

4)有的扭振計(jì)算書(shū)中將硅油減振器當(dāng)成兩個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，此時(shí)則不存在減振器的當(dāng)量慣量，而是需要廠家提供扭轉(zhuǎn)剛度。對(duì)此，也可以用與本文類似的方法驗(yàn)證減振器剛度和阻尼。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.船上振動(dòng)控制指南[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.船用柴油機(jī)硅油減振器檢驗(yàn)指南[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 許運(yùn)秀,李宗焜.船舶柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[M].北京：人民交通出版社，1982.